Rozpad vákua - experiment o osude vesmíru

Mnohokrát bez priveľkej mediálnej pozornosti sa na pracovných stoloch vedcov rodia teórie o stavbe a budúcnosti vesmíru. Veda sa v tomto smere na rozdiel od prorokov či veštcov vyznačuje neoceniteľnou výhodou - svoje predpovede dokáže exaktne a presne zdôvodniť, či dokonca vypočítať ich pravdepodobnosť. V tomto článku si predstavíme napínavý aspekt doposiaľ najúspešnejšej teórie o stavbe častíc - tzv. štandardného modelu - ktorý sa týka stability vákua. Aktuálne experimenty totiž indikujú, že vákuum nie je stabilné, čo by znamenalo skorší či neskorší zánik sveta tak ako ho poznáme. Navyše zánik, ktorý nemusí byť vzdialený pre bežného človeka nič nehovoriace miliardy rokov, ale zánik, ktorý už potenciálne aj mohol začať. Objasníme si, od čoho stabilita vákua presne závisí, ako by sa jeho rozpad prejavil a najmä ako vie ľudstvo zistiť definitívnu odpoveď na túto dôležitú otázku. 

Je všeobecne známe, že svet sa skladá z konečného počtu rôznych druhov stavebných kameňov - častíc. Vďaka tzv. štandardnému modelu častíc už dlhší čas veda vie i to, že takýchto fundamentálnych častíc je vcelku malý počet. Štandardný model je jednou z najúspešnejších teórií v histórii vedy, ktorého realistický popis sveta a experimentov už niekoľko dekád udivuje vedcov, a ktorého mnohé predpovede sa s obdivuhodnou presnosťou potvrdili (predovšetkým existencia nových častíc a ich vlastností). I keď má za sebou už bohatú minulosť, svoj arzenál predpovedí ešte stále nevyčerpal. A to i napriek tomu, že nie je kompletný a pre popis niektorých pozorovaných javov je nevyhnutné jeho rozšírenie (najznámejším príkladom je potreba popísania tmavej hmoty, ktorá je pravdepodobne tvorená slabo interagujúcimi masívnymi časticami [WIMPs] predpovedanými v niektorých rozšíreniach štandardného modelu).    

Svet podľa štandardného modelu

A ako teda vyzerá popis zloženia sveta, ktorý tak vynikajúco vysvetľuje pozorované javy? Pozorovateľný svet sa skladá z troch skupín častíc - častíc predstavujúcich hmotu, častíc sprostredkujúcich sily medzi hmotou a (pravdepodobne jednou) časticou zodpovednou za hmotnosť ostatných častíc. Viditeľnú hmotu tvorí šestica kvarkov (stabilné up, down, a nestabilné charm, strange, top a bottom), tvoriace okrem iného atómové jadrá i niektoré ťažšie častice, a šestica leptónov (stabilný známy elektrón, jeho ťažší nestabilní súrodenci mión a tauón a trojica ultraľahkých neutrín takmer ignorujúcich štandardnú hmotu). Sily medzi časticami hmoty sú sprostredkované tzv. bozónmi (od kvarkov a leptónov sa odlišujú predovšetkým tým, že sa na ne nevzťahuje obmedzenie pre ich počet v jednotkovom objeme, teda ich hustotu). Patrí medzi ne fotón (prenáša dobre známu elektromagnetickú silu), dva W bozóny so Z bozónom (prenášajú slabú jadrovú silu) a osmica gluónov (prenášajú silnú jadrovú silu napr. v atómových jadrách). Osobitnou časticou (hoci vlastnosťami čiastočne príbuznou bozónom) je pomerne populárny Higgsov bozón, ktorý je zodpovedný za existenciu hmotnosti ostatných častíc. Častice totiž s poľom, ktorého manifestáciou je práve Higgsov bozón*, interagujú. Nebyť Higgsovho poľa, ktoré rovnomerne vypĺňa prakticky celý vesmír, by mali častice nulovú hmotnosť. Vďaka jeho existencii je však táto rovnomernosť (vo fyzikálnej terminológii nazývaná symetria) narušená a rôzne častice s Higgsovým poľom interagujú rôznou silou (podobne ako magnety s magnetickým poľom), pričom táto sila je ekvivalentom ich hmotnosti (presnejšie pokojovej hmotnosti - t.j. pri nulovej rýchlosti). Napr. fotóny Higgsove pole prakticky ignorujú (majú nulovú pokojovú hmotnosť), zatiaľ čo top kvark s ním interaguje veľmi intenzívne (a je zatiaľ najťažšou známou fundamentálnou časticou).

* experimentálne dáta zatiaľ potvrdzujú manifestáciu Higgsovho poľa v najjednoduchšej forme (existencia iba jedného typu Higgsovho bozónu), i keď teória pripúšťa aj existenciu viacerých jeho typov.
 

Falošné vákuum

Všetky tieto častice sa samozrejme nachádzajú v prostredí (časopriestore), okrem častíc vyplnenom i vákuom. Laická predstava pojmu vákuum je, že ak z (časo)priestoru odstránime všetky častice hmoty aj síl, nezostane v ňom vôbec nič. Pre laika je teda vákuum synonymom nuly, ničoho. Táto predstava však nezodpovedá realite. Pre fyzikov vákuum neznamená stav s nulovou energiou. I keď zatiaľ ľudstvo neprišlo na to, ako túto energiu využiť (a pravdepodobne to ani prakticky nebude možné), skutočnosť, že je nenulová, je všeobecne akceptovaným vedeckým faktom konzistentným s pozorovanými prírodnými zákonmi a javmi. Za experimentálne preukázané dôsledky nenulovej energie vákua sú považované napr. tzv. Lambov posun energií elektrónov v atómových jadrách, či fascinujúci a takmer z ríše sci-fi sa javiaci Casimirov jav definitívne potvrdený po mnohých desaťročiach od jeho teoretickej predpovede. Principiálne teda nič nebráni tomu, aby sa energia vákua dokázala znížiť. Preto rozlišujeme vákuum falošné (metastabilné, t.j. nestabilné, avšak schopné dlhodobej existencie) a skutočné (stabilné). Metastabilné vákuum sa nachádza iba v lokálnom energetickom minime, pričom v prechode do stavu s nižšou energiou (t.j. stabilného, alebo prinajmenšom stabilnejšieho vákua) mu bráni energetická bariéra**. Tu je však možné prekonať v rámci štandardného kvantového tunelového javu (tunelový jav je špeciálny efekt v kvantovom svete, pri ktorom je možné energetickou bariérou s malou avšak presne vypočítateľnou pravdepodobnosťou preniknúť i bez potrebnej energie). Čas, ktorý je na to potrebný, je tým kratší, čím menšia je bariéra a čím vyššia je energia častíc, ktoré môžu bariérou preniknúť. K rozpadu metastabilného vákua teda môže dôjsť spontánne s pravdepodobnosťou riadenou zákonmi kvantového sveta, alebo ho môže spôsobiť extrémne energetická častica, ktorá sa cez bariéru laicky povedané prehupne a strhne so sebou aj zvyšok vesmíru. Tu je dôležité podotknúť, že nevieme, aká je bariéra vysoká (ak vôbec existuje) a teda akú energiu by častica musela dosiahnuť, isté však je, že musí byť mnohonásobne vyššia než energie častíc, ktoré zatiaľ dokážu ľudia vytvoriť i v tých najvýkonnejších urýchľovačoch. Dôvod je jednoduchý - v kozmickom žiarení sú experimentálne pozorované častice s asi miliónkrát vyššími energiami, než je schopný dosiahnuť urýchľovač LHC (tieto častice sú po milióny rokov urýchľované medzigalaktickými magnetickými poliami). V prípade potvrdenia metastability vákua by to však znamenalo nutnú opatrnosť pri vývoji nových urýchľovačov vo vzdialenejšej budúcnosti, ktoré budú dosahovať energie vyššie, než tie vyskytujúce sa v prirodzenom kozmickom žiarení, a teda potenciálne energie dostatočné na rozpad vákua. 

** ani skutočne stabilné vákuum nemusí mať nulovú energiu, má ju iba nižšiu než metastabilné vákuum - situácia sa dá prirovnať napr. k energii elektrónov okolo atómového jadra, pri ktorých ani ich najnižšia energia nie je nulová, viac znížiť ju však už nie je možné.

Fascinujúca merateľná predpoveď

Nestabilita vákua by bola iba špekulatívnou akademickou hračkou na pobavenie mysle bez akýchkoľvek konkrétnych detailov, nebyť výnimočnej možnosti, ktorú nám ponúka práve zmieňovaný štandardný model častíc. Ten nám totiž umožňuje presne určiť stabilitu vákua pomocou dvoch veličín - hmotnosti Higgsovho bozónu a hmotnosti top kvarku. Na obrázku vľavo, o ktorom sa dá bez zveličenia či prehnanej patetickosti konštatovať, že určuje osud celého nášho vesmíru, vidíme závislosť stability vákua od hmotnosti Higgsovho bozónu (vodorovná os) a hmotnosti top kvarku (zvislá os) v jednotkách používaných v jadrovej fyzike (GeV/c², čiže hmotnostný gigaelektrónvolt. Jeden GeV/c² je rovný hmotnosti 1.783×10⁻²⁴ gramu). Vidíme na ňom celkový obraz pre všetky kombinácie hmotností daných častíc, pričom reálne zmerané hmotnosti pochádzajúce z najnovších experimentov v LHC spadajú do malého obdĺžnika, ktorého zväčšený výsek vidíme na obrázku nižšie vpravo***. Pre mnoho kombinácií hmotností týchto častíc by bolo vákuum stabilné, pre malú časť by bolo metastabilné (teda dočasne stabilné) a vysoké hmotnosti top kvarku by znamenali nestabilitu vákua.

*** aby sme boli vedecky úplne presní, merať vlastnosti častíc s takými vysokými energiami je nesmierne komplikované, napriek tomu nová častica, ktorú v rokoch 2011 až 2013 v LHC objavili a zmerali, je na základe jej vlastností s pravdepodobnosťou presahujúcou 99,9% práve Higgsovým bozónom. Výpočet stability vákua taktiež predpokladá, že štandardný model je platný až po najmenšie rozmery kvantového sveta, pretože neexistujú žiadne známe dôvody vyvracajúce takýto predpoklad.

Ako vidieť, zmerané hmotnosti sa nachádzajú práve na pomedzí stability a metastability - jednotlivé elipsy v pravom obrázku označujú nepresnosti súčasných meraní. Presnosť týchto náročných meraní je zatiaľ obmedzená, veda však na základe nich už vie vypočítať pravdepodobnosť kde sa skutočné hmotnosti daných častíc nachádzajú - v najmenšej elipse sa nachádzajú s pravdepodobnosťou 68,27%, v stredne veľkej elipse s pravdepodobnosťou 95,45% a v najväčšej elipse s pravdepodobnosťou 99,73%. Keďže aj najväčšia elipsa iba malou časťou zasahuje do oblasti stability, znamená to, že na základe súčasných experimentálnych dát je s veľmi vysokou pravdepodobnosťou vákuum v našom vesmíre metastabilné. Bodkované diagonálne čiary určujú polčas rozpadu vákua v rokoch - pre strednú elipsu s 95,45% pravdepodobnosťou je polčas rozpadu vákua od necelých desať miliárd až po približne milión miliárd (10¹⁵) rokov - pre porovnanie, súčasný vek vesmíru je približne 13.7 miliardy rokov. Polčas rozpadu je štatistická veličina, napr. pre polčas rozpadu 10 miliárd rokov je dnes približne 61% pravdepodobnosť, že rozpad už nastal a blíži sa k nám takmer rýchlosťou svetla (vzhľadom na veľkosť vesmíru jeho príchod môže ešte značný čas trvať), pre polčas rozpadu 10¹⁵ rokov je pravdepodobnosť jeho vzniku už v dnešnom veku vesmíru 0.00007%. Z posledných experimentov na LHC vyplýva aj ďalšia takmer rovnako dôležitá skutočnosť - rozšírenia štandardného modelu o častice tmavej hmoty podľa aktuálnych výsledkov nebudú mať markantný vplyv na uvedenú závislosť stability vákua. Na druhej strane, keďže sa zmerané hmotnosti nachádzajú práve na citlivom pomedzí metastability a stability, konkrétne objavy častíc tmavej hmoty môžu misky váh prevážiť z metastabilnej do stabilnej (alebo samozrejme i naopak) oblasti.

Dopady rozpadu vákua

V tomto momente sa určite natíska i prirodzená otázka, čo by rozpad vákua presne znamenal. Keďže všetky častice sú vystavané na aktuálnych kvantových vlastnostiach, premena vákua do nižšoenergetického stavu by znamenala kompletné prebudovanie všetkých častíc, ktoré vo vesmíre existujú. Inými slovami, vesmír aký poznáme by prestal existovať - vznikli by nové častice s inými vlastnosťami a vzájomnými interakciami, iným správaním a štruktúrami. Všetky známe štruktúry vo vesmíre - od atómov, molekúl, asteroidov cez planéty a hviezdy až po galaxie a kopy galaxií by sa kompletne rozpadli a prebudovali. Táto zmena by sa šírila takmer rýchlosťou svetla (hnaná energiou, ktorá by sa pri znížení energie vákua uvoľňovala) rovnomerne všetkými smermi od miesta vzniku, podobne ako rozpínajúca sa bublina vo vriacej vode, či 2D analógia kruhov na hladine jazera. Veľká rýchlosť šírenia značí, že by neexistovalo prakticky žiadne včasné varovanie, resp. len vo veľmi krátkom predstihu. Preto i v prípade, že by k rozpadu vákua v niektorej časti vesmíru už došlo, nebolo by ľudstvo túto skutočnosť schopné zistiť predtým než by ho premena zasiahla.

Stručný filozofický kontext na záver

I keď uvedený scenár môže na prvý pohľad pôsobiť nihilisticky, či pochmúrne, nie je tomu z pohľadu prírody tak. Odhliadnuc od štandardného objektívneho prístupu konštatujúceho, že príroda nepozná zlo ani dobro, pozná iba existenciu či neexistenciu prírodných zákonov, aj bez takéhoto filozofického vhľadu má daný scenár stále i pozitívnu stránku - je totiž možné, že takáto udalosť už v minulosti nášho vesmíru nastala. Konkrétne je pravdepodobné, že tesne po vzniku vesmíru vákuum bolo v nestabilnom stave s veľmi krátkym polčasom rozpadu (zlomky sekundy). Jeho rozpad mohol ukončiť tzv. infláciu časopriestoru, ktorá podľa všeobecne akceptovaných kozmologických teórií spôsobila súčasnú značne rovnomernú štruktúru vesmíru (keďže pôvodné kvantové fluktuácie nesmierne rýchlym rozpínaním vyhladila do súčasne pozorovanej homogénnej štruktúry vesmíru v globálnom meradle). Pokračovanie inflácie by znamenalo vesmír absolútne nevhodný pre vznik akéhokoľvek života. Za vznik vesmíru s vlastnosťami umožňujúci vznik inteligentného života teda s veľkou pravdepodobnosťou vďačíme práve rozpadu pôvodného nestabilného vákua, ktoré sa prerodilo (a zničilo pôvodné nevhodné nastavenie vlastností nášho vesmíru) na naše dnešné (meta)stabilné vákuum. Logicky teda nie je možné vylúčiť, že aj v budúcnosti v prípade opätovnej deštrukcie vákua a jeho prerodu do nižšoenergetického stavu vzniknú nové častice a štruktúry, ktoré povedú ku vzniku úplne inej inteligentnej formy života. Môžeme sa teda pokiaľ možno bez zbytočného egoistického pohľadu na svet cez subjektívne okuliare dobra a zla tešiť na výsledky experimentov (predovšetkým hmotnosti Higgsovho bozónu a top kvarku a taktiež objavom nových častíc), ktoré nám už onedlho s ešte väčšou presnosťou povedia, či je vákuum metastabilné a či vesmír čaká nevyhnutný rozpad a prerod, alebo žijeme vo vesmíre, ktorého budúcnosť bude plynúť hladko, bez kvantového ´tsunami´. Údaje nám poskytne aktuálny urýchľovač LHC, ktorý v apríli 2015 obnovil prevádzku s takmer dvojnásobne vyššou energiou oproti predchádzajúcim rokom, a v budúcnosti s ešte väčšou presnosťou International Linear Collider, ktorého spustenie je predbežne plánované na rok 2026. Príroda je fascinujúca a vážme si, že aj prostredníctvom vedeckého bádania dokážeme zdieľať jej tajomstvá a vnímať svoju existenciu v hlbšej rovine a súvislostiach.

Autor: Juraj Kotulič Bunta, Ph.D

(LinkedIn)

Výber zdrojov a odkazy pre bližšie štúdium:

Odborné:

- The Higgs: so simple yet so unnatural, CERN report CERN PH−TH/2013−82, available also at Cornell University Library arXiv, May 2013
- The top quark and Higgs boson masses and the stability of the electroweak vacuum, Physics Letters B 716, 1, p. 214-219, Elsevier 2012
- Higgs boson and top quark masses as tests of electroweak vacuum stability, Physical Review D 87, 053001, American Physical Society 2013
- Spontaneous and induced decay of metastable vacuum, 41th Institute for Theoretical and Experimental Physics Winter School of Physics, lecture 1 + lecture 2, February 2013

Popularizačné (anglicky):

- False vacuum (wikipedia)
- Standard Model (predovšetkým Higgs boson) (wikipedia)
- Higgs boson (ľahko pochopiteľné názorné 5 minútové video)